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Neue Prüfung für Elektroschutzgehäuse aus Kunststoff

Redakteur: Peter Königsreuther

Kunststoff-Schutzsysteme für elektronische Einheiten, die im Außeneinsatz stehen, müssen sowohl vor Feuchtigkeit als auch elektrischen Felder isolieren – und zwar dauerhaft! Ein neues Prüfverfahren aus der Forschung soll im Vorfeld zeigen können, ob ein Schutzkonzept das leisten kann.

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Das Fraunhofer IMWS in Halle hat ein neuartiges Prüfverfahren samt Prüfkörper für Tests zur Einsatztaugilchkeit von Kunststoffschutzgehäusen für Elektronikanwendungen entwickelt, wie sie etwa in Windkraftanlagen benötigt werden. Hier eine Auswahl von dazu nötigen Prüfkörpern aus dem Polymer PBT, die unter anderem neue Erkenntnisse bezüglich des Einflusses von Feuchtigkeit im Hinblick auf das Versagensverhalten bringen sollen.
Das Fraunhofer IMWS in Halle hat ein neuartiges Prüfverfahren samt Prüfkörper für Tests zur Einsatztaugilchkeit von Kunststoffschutzgehäusen für Elektronikanwendungen entwickelt, wie sie etwa in Windkraftanlagen benötigt werden. Hier eine Auswahl von dazu nötigen Prüfkörpern aus dem Polymer PBT, die unter anderem neue Erkenntnisse bezüglich des Einflusses von Feuchtigkeit im Hinblick auf das Versagensverhalten bringen sollen.
(Bild: Fraunhofer IMWS)

Kunststoffgehäuse, wie sie etwa in Windkraftanlagen eingesetzt werden, sind enorm wichtig, um die eingebaute Elektronik zu schützen, sagen die am Entwicklungsprojekt beteiligten Forscher des Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle an der Saale. Jedoch seien diese Isolationssysteme oft extremen Witterungsbedingungen und elektrischen Feldern ausgesetzt. Die Hallenser Experten haben nun gemeinsam mit dem Unternehmen Präzision-Plastic-Produkte GmbH (3P GmbH) mithilfe eines neuartigen Prüfkonzepts die Möglichkeit geschaffen, um Ursachen für Materialdefekte unter Einsatzbedingungen zu erforschen.

Glasverstärktes PBT als Schutzwerkstoff

Zum typischen Bauteilspektrum für Leistungselektronik gehören beispielsweise Wechselrichter für Windkraftanlagen, die verschiedenen Umweltbedingungen ausgesetzt sind und deshalb stark beansprucht werden, so die Forscher. Feuchtigkeit, Hitze und starke elektrische Felder könnten die sensiblen Elektronikbauteile in ihrer Funktion beeinträchtigen und im schlimmsten Fall zum Versagen führen. Um der empfindlichen Elektronik das möglichst zu ersparen, wird sie durch witterungsstabile Schutzgehäuse abgeschirmt, die vorzugsweise aus Polymerwerkstoffen bestehen, heißt es weiter. Präzisere Versagensprognosen für die dafür infrage kommenden Kunststoffe seien mit dem neuartigen Prüfungsmusterdesign für technische Kunststoffe jetzt möglich. Isoliermaterialien könnten damit unter verschiedenen Umweltbedingungen über einen längeren Zeitraum hinweg im elektrischen Feld untersucht werden.

Um das Prüfkonzept zu entwickeln, haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler spezielle Prüfkörper aus PBT (Polybutylenterephthalat) per Spritzgussverfahren hergestellt. Eine Materialprobe war dabei mit Glaskugeln verstärkt, während zwei andere Polymere durch Glasfasern verstärkt waren. Die Prüfkörper bestanden aus je zwei Elektroden, die direkt in das Kunststoffmaterial injiziert wurden, um auf zusätzliche Isolationsmaßnahmen verzichten zu können, erklären die Experten.

Miniaturisierung übt Druck auf Isolationssysteme aus

Die Untersuchungen ergaben speziell für den Einfluss von Feuchtigkeit, wie es weiter heißt, ein besseres Verständnis im Hinblick auf den Ablauf der Versagensprozesse. Auch habe das Fraunhofer IMWS und die 3P GmbH neue Verfahren entwickelt, um Fehler aufzuspüren und langfristige Vorhersagen in Bezug auf Defektbildungen treffen zu können. „Das neue Prüfverfahren erlaubt es, neue Materialien für Gehäuse und optimierte Verarbeitungstechnologien zu entwickeln, sodass noch hochwertigere und leistungsfähigere Gehäuse für Wechselrichter in Windkraftanlagen oder Autogetriebe zur Verfügung stehen“, erklärt Sandy Klengel, IMWS-Gruppenleiterin Bewertung elektronischer Systemintegration. Denn eine gute Qualität und hohe Lebensdauer der Gehäuse werde immer relevanter, weil die momentan herrschende Miniaturisierung in puncto elektronischer Baugruppen auch die Anforderungen an die verwendeten Isolationssysteme erhöhe.

Weitere Forschungen sind deshalb notwendig, damit exaktere Aussagen zu Materialdegradation, Lebensdauereigenschaften und Alterungsmechanismen von Kunststoffen getroffen werden können, wie Klengel betont. Zukünftige Studien sollten außerdem erarbeiten, wie der Einfluss von Additiven wie Flammschutzmittel zu bewerten ist, um mit diesen Erkenntnissen die Materialzusammensetzung für Kunststoffschutzgehäuse weiter optimieren zu können.

Gefördert und ausgezeichnet

Das Forschungsprojekt, heißt es, wurde vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung Sachsen-Anhalt und dem Europäischen ECPE-Netzwerk über das „Joint Research“-Programm in Kooperation mit der Universität Kassel gefördert.

Die erbrachten Ergebnisse präsentierte das Fraunhofer IMWS gemeinsam mit der 3P GmbH auf der CIPS 2018 (International Conference on Integrated Power Electronics Systems) und gewann mit der Darstellung des Prüfkonzepts den Best Poster Award, betonen die Protagonisten des Projekts. MM

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